结合动态蒙特卡洛法与分子动力学研究c面蓝宝石衬底的氮化现象

摘要

随着技术的进步和需求的增加，高质量薄膜材料的制备技术有了很大的发展。其中，在宽禁带半导体材料中，AlGaN材料因为其高频率、大功率、耐高温、化学稳定性好及可以在强辐射环境中工作等特点的受到了人们越来越多的关注。然而，高质量的AlN薄膜制作非常困难，特别是缺乏合适的衬底材料以及由此引起的高缺陷密度。本文主要研究AlN薄膜制备中的氮化问题，通过优化氮化条件为生长高质量的AlGaN基LED材料奠定基础。
　　本文采用动力学外延生长模拟，结合动力学蒙塔卡洛方法(KMC)和分子动力学方法(MD)对表面的氮化过程和界面的渗氮现象进行模拟和分析。在动力学蒙塔卡洛方法模拟过程中，利用Morse势描述原子团之间的相互作用情况以及表面的氮化过程，分析生长中产生的精细结构，并且通过统计所有表面原子的状态来确定表面的性质。利用动力学蒙塔卡洛方法，模拟研究了不同外延温度下的表面氮化情况，借此分析总结表面氮化的相关机理。利用分子动力学方法，模拟研究了界面处的渗氮现象，根据动态过程，进而分析氮化和过度氮化的相关机理，确定了合理的氮化条件。
　　此外，为了验证仿真模拟方法的可行性，本文利用MBE设备对c面蓝宝石衬底进行氮化，通过RHEED观察与分析氮化过程，对实验现象和理论研究的结论进行比对。分析表明较低的温度虽然可以较好地控制氮化反应的发展，但是当温度低于400K时，相应的反应时间过长，效率较低，不利于节约实验成本。在650K下反应15分钟是较为理想的选择，其反应时间适中，而且易于形成良好的氮化层，为后期的生长提供良好的基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 AlGaN基LED材料的基本结构

1．3 AlGaN基LED材料的发展现状

1．4 氮化的原理及意义

1．4．1 氮化的基本原理

1．4．2 关于衬底氮化的相关研究

1．5 本文的主要工作

参考文献

第二章 实验技术和表征方法

2．1 引言

2．2 薄膜制备技术

2．2．1 分子束外延生长(MBE)

2．3 薄膜表征技术

2．3．1 反射高能电子衍射(RHEED)

参考文献

第三章 蓝宝石衬底氮化的相关软件模拟

3．1 引言

3．2 动态蒙特卡洛(KMC)方法

3．2．1 KMC法关于表面以及界面材料模拟的介绍

3．2．2 KMC法的主要计算步骤

3．2．3 基于KMC的c面蓝宝石氮化分析

3．2．4 c面蓝宝石氮化的具体程序

3．3 分子动力学(MD)方法

3．3．1 MD法关于表面以及界面材料模拟的介绍

3．3．2 MD法的主要计算步骤

3．3．3 基于MD的c面蓝宝石氮化分析

3．4 结合KMC法与MD法对C面蓝宝石氮化现象的模拟

参考文献

第四章 数据分析与处理

4．1 能量参数计算

4．2 KMC法分析表面氮化现象与机理

4．2．1 c面蓝宝石的氮化程度随氮气流量和表面温度的变化

4．2．2 650K下c面蓝宝石的氮化程度随氮化时间的变化

4．2．3 表面氮化现象的总结以及氮化机理分析

4．3 MD法分析界面氮化与过度氮化现象

4．3．1 MD法分析界面氮化现象的意义

4．3．2 650K下c面蓝宝石不同原子层的氮化程度随时间的变化

4．3．3 氮化现象以及过度氮化现象的机理分析

4．4 实验结果及表征

4．4．1 样品制备

4．4．2 样品表征

4．5 小结

参考文献

第五章 总结与展望

致谢

附录1 硕士期间发表的论文

附录2 KMC的核心算法